DE60125612T2

DE60125612T2 - Filter with time delay modeling for cascaded controller structure

Info

Publication number: DE60125612T2
Application number: DE60125612T
Authority: DE
Inventors: Dr. Guido Seeger; Dipl.-Ing. Johannes Welker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: US6313591B1; DE60125612D1; EP1126344A2; EP1126344A3; EP1126344B1

Description

ERFINDUNGSGEBIETFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Steuersysteme für Antriebe (z.B. Elektronikantriebe, Hydraulikantriebe usw.). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Steuersysteme für Antriebe mit einer kaskadierten Reglerstruktur.The The present invention relates generally to drive control systems (e.g., electronic drives, hydraulic drives, etc.). The present The invention relates in particular to control systems for drives with a cascaded one Controller structure.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL STATE OF THE ART

Antriebe erfordern eine präzise Positionierungsantwort und Konturbildungsantwort. Um einen Antrieb zu betreiben, schreibt ein Bediener zuerst ein Teilprogramm, das Teile, Geschwindigkeiten usw. beschreibt. Als nächstes wird während eines Vorbereitungsschritts das Teilprogramm kompiliert. Dann wird während eines Interpolationsschritts das kompilierte Programm interpoliert, um als Sollpositionsdaten bezeichnete zeitkritische Kontur-, Fräs- und Drehpunkte zu erzeugen. In der Regel werden die Sollpositionsdaten einer kaskadierten Reglerstruktur mit Regelschleifen für eine Stromregelung, Geschwindigkeitsregelung und Positionsregelung zugeführt. Eine kaskadierte Reglerstruktur empfängt die Sollpositionsdaten und leitet die Sollpositionsdaten durch jede der Regelkreise weiter, damit die Position des Antriebs gesteuert wird.drives require a precise Positioning response and contouring response. To a drive An operator first writes a subprogram to operate Parts, speeds, etc. describes. Next will be during a Preparatory step compiles the program unit. Then during a Interpolation step interpolates the compiled program to Time-critical contour, milling and pivot points, referred to as desired position data to create. As a rule, the setpoint position data is cascaded Controller structure with control loops for current control, speed control and position control supplied. A cascaded controller structure receives the setpoint position data and forwards the setpoint position data through each of the control loops, so that the position of the drive is controlled.

Es wird bei einer kaskadierten Reglerstruktur bevorzugt, die Position des Antriebs mit Regelkreisen auf unterer Ebene (d.h. den Stromregler und dem Geschwindigkeitsregler) zu steuern und nicht mit dem Positionsregler, da die Antwortzeit des Positionsreglers (z.B. etwa 10 bis 60 Millisekunden) viel länger ist als die Antwortzeiten des Geschwindigkeitsreglers (z.B. etwa 1-2 Millisekunden) und des Stromreglers (z.B. etwa 0,2 Millisekunden). Der Positionsregler wird bevorzugt für die Störantwort des Systems, nicht die Positionsantwort, verwendet.It is preferred in a cascaded controller structure, the position of the drive with lower level control circuits (i.e. and the speed controller) and not with the position controller, because the response time of the position controller (e.g., about 10 to 60 milliseconds) much longer is the response time of the speed controller (e.g. 1-2 milliseconds) and the current regulator (e.g., about 0.2 milliseconds). The position controller is preferred for the system noise response, not the position response, used.

Bekannterweise wird deshalb ein Regelungsweg mit Störgrößenaufschaltung bereitgestellt, um die Sollpositionsdaten an dem Positionsregler vorbei dem Geschwindigkeitsregler zuzuführen. Gleichermaßen kann ein Regelungsweg mit Störgrößenaufschaltung bereitgestellt werden, um die Sollpositionsdaten an dem Positionsregler vorbei dem Stromregler zuzuführen. Die Vorwärtskopplung der Positionsdaten reduziert die Reaktionszeit des Systems (d.h. die Zeit zwischen dem, da eine Sollposition empfangen wird, und dem, da der Antrieb die Sollposition erreicht). Infolgedessen kann mit dem System eine schmalere Kontur erreicht werden. Das Vorwärtskoppeln verursacht außerdem ein Überschwingen über die Sollposition hinaus, was inakzeptabel ist. Zu dem Überschwingen kommt es, da die Sollpositionsdaten dem Positionsregler sowie den Reglern auf niedrigerer Ebene zugeführt werden, was zu einer kombinierten Antwort am Antrieb führt.known manner Therefore, a control path with feedforward control is provided to the desired position data past the position controller over the speed controller supply. equally can be a control path with feedforward control are provided to the desired position data on the position controller past the current regulator. The feedforward the position data reduces the response time of the system (i.e. the time between that, as a target position is received, and because the drive reaches the setpoint position). As a result, can be achieved with the system a narrower contour. The forward coupling caused as well an overshoot over the Target position, which is unacceptable. To the overshoot It comes because the setpoint position data the position controller and the Controllers are fed at a lower level, resulting in a combined Answer at the drive leads.

Um das Überschwingen zu reduzieren, wurde zwischen den Sollpositionsdaten und dem Positionsregler ein Modellierungsfilter verwendet. Das Modellierungsfilter versucht, die Verzögerung zwischen der Istposition des Antriebs und der Sollposition des Antriebs sauber zu modellieren, so dass im Idealfall keine Differenz zwischen verzögerter Sollposition und Istposition (gemessener Position) dem Positionsregler zugeführt wird, so dass der Positionsregler das Überschwingen nicht verursacht. Die Verzögerung, die modelliert werden muss, wird durch die Vorwärtskopplungswege, die Regelkreise auf unterer Ebene und die mechanischen Komponenten des Antriebs verursacht.Around the overshoot was between the setpoint position data and the position controller used a modeling filter. The modeling filter tries the delay between the actual position of the drive and the target position of the drive clean model, so ideally no difference between delayed Target position and actual position (measured position) the position controller supplied so that the position controller does not cause the overshoot. The delay, which needs to be modeled becomes through the feedforward paths, the control loops on the lower level and the mechanical components of the drive caused.

Ein Tiefpassfilter wurde als das Modellierungsfilter verwendet, dessen Zeitkonstante bei dem Versuch, die Verzögerung zu modellieren, auf die dominante äquivalente Zeitkonstante des Rests des Regelkreises gesetzt wird (d.h. die Zeitkonstante des Geschwindigkeitsreglers in diesem Beispiel). Die Effektivität des Tiefpassfilters hängt jedoch von der Geschwindigkeit des Antriebs ab. Beispielsweise können bei einer gegebenen Zeitkonstante niedrige Antriebsgeschwindigkeiten zu einem geringfügigen Unterschwingen führen (beispielsweise an der Ecke eines Werkstücks), während höhere Antriebsgeschwindig keiten zu einem geringfügigen Überschwingen führen können. Somit besteht eine Option darin, die Zeitkonstante zu justieren, um Überschwingen zu verhindern. Diese Option modelliert jedoch die Verzögerung nicht sauber (d.h., der Positionsregler trägt immer noch zu der Positionsantwort bei), und deshalb ist die Positionsantwort langsamer als erwünscht. Eine weitere Option besteht darin, die Zeitkonstante für ein geringfügiges Überschwingen einzustellen und die Größe des Überschwingens zu reduzieren, indem zusätzliche Sollpositionsdaten verwendet werden. Diese Option ist jedoch zu langsam und erfordert mehr Berechnung als der Interpolationsschritt.One Low-pass filter was used as the modeling filter whose Time constant in the attempt to model the delay on the dominant equivalents Time constant of the remainder of the control loop is set (i.e. Time constant of the speed controller in this example). The effectiveness of the low-pass filter hangs however, depending on the speed of the drive. For example, at a given time constant low drive speeds to a slight Cause undershooting (For example, at the corner of a workpiece), while higher Antriebsgeschwindig opportunities to a slight overshoot to lead can. Thus, one option is to adjust the time constant, to overshoot to prevent. However, this option does not model the delay clean (that is, the position controller still carries the position response at), and therefore the position response is slower than desired. A Another option is to set the time constant for a slight overshoot adjust and the size of the overshoot reduce by adding extra Target position data can be used. However, this option is too slow and requires more calculation than the interpolation step.

Noch eine weitere Option besteht darin, einen Geschwindigkeitsregler mit einem Referenzmodell anstelle einer Proportional-Integral-Antwort zu verwenden. Das Referenzmodell verwendet ein zusätzliches Filter vor dem Integrator des Proportional-Integral-Geschwindigkeitsreglers. Diese Option macht den Geschwindigkeitsregler schneller und erleichtert die Vorwärtskopplungsjustierung, doch ist das Abstimmen des Geschwindigkeitsreglers schwierig und erfordert mehr Wissen über die mechanische Dynamik des Systems. Noch eine weitere Option besteht darin, Filter höherer Ordnung zu verwenden (z.B. einschließlich einer Zeitkonstante zweiter oder dritter Ordnung). Je höher die Ordnung jedoch des verwendeten Filters ist, umso größer sind die Berechnungszeit und die Komplexität.Yet Another option is a speed controller with a reference model instead of a proportional-integral answer to use. The reference model uses an additional one Filter before the integrator of the proportional-integral speed controller. This option makes the speed controller faster and easier the feedforward adjustment, but tuning the speed controller is difficult and requires more knowledge about the mechanical dynamics of the system. Yet another option exists in it, filters higher To use order (e.g., including a time constant second or third order). The higher However, the order of the filter used is the larger the Calculation time and complexity.

Was deshalb benötigt wird, sind ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Objekts mit verbesserter Genauigkeit. was weiterhin benötigt wird, ist ein verbessertes System und Verfahren zum Modellieren der Istposition eines gesteuerten Objekts. Ein derartiges verbessertes System und Verfahren würde verbesserte Genauigkeit bei der Positionsantwort an Konturen gestatten. Außerdem würde durch das verbesserte System und Verfahren die Notwendigkeit entfallen, einen Kompromiss aus Unterschwingen und Überschwingen zu akzeptieren, wie bei dem oben beschriebenen Tiefpassfilter. Noch weiter würde sich das verbesserte System und Verfahren leichter justieren lassen als Systeme nach dem Stand der Technik.What therefore needed is a system and method for controlling an object with improved accuracy. what is needed is an improved one System and method for modeling the actual position of a controlled Object. Such an improved system and method would be improved Allow accuracy in position response to contours. It would also be through the improved system and procedure eliminates the need to accept a compromise between undershoots and overshoots, like in the low-pass filter described above. Still further would be make the improved system and procedure easier to adjust than Systems of the prior art.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 534 690 A2 beschreibt eine Servomotorsteuereinrichtung zum Steuern eines einen Roboterarm antreibenden Servomotors, ein Zielpositionsbefehlssignal wird in eine erste Operationssektion angegeben, die einen Geschwindigkeitsbefehlswert für die Geschwindigkeitsvorwärtskopplung erzeugt.The European patent application EP 0 534 690 A2 describes a servomotor control means for controlling a servo motor driving a robot arm, a target position command signal is given in a first operation section which generates a velocity command value for velocity feedforward.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 479 136 A1 beschreibt eine digitale Servosteuervorrichtung, die die Drehung eines Servomotors auf der Basis eines für eine Zielposition repräsentativen digitalen Positionsbefehlwerts und eines von einer Positionsdetektierungseinrichtung ausgegebenen digitalen Positionsrückkopplungswerts steuert.The European patent application EP 0 479 136 A1 describes a digital servo control device which controls the rotation of a servomotor based on a digital position command value representative of a target position and a digital position feedback value output from a position detecting device.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNGSHORT PRESENTATION THE INVENTION

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Steuersystem offenbart zum Steuern der Bewegung eines Objekts auf der Basis von Sollpositionsdaten. Das Steuersystem enthält: einen ersten Regler, der konfiguriert ist, die Position des Objekts zu regeln; eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung, die konfiguriert ist, Vorwärtskopplung zu einem zweiten Regler auf einer niedrigeren Ebene als der erste Regler zu liefern; und ein Modellierungsfilter, das konfiguriert ist, die Sollpositionsdaten zu empfangen und die Sollpositionsdaten mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung an den ersten Regler zu liefern.According to one embodiment For example, a control system is disclosed for controlling the movement of an object based on target position data. The control system includes: a first controller that is configured to position the object regulate; a control with feedforward control, which is configured feedforward to a second slider at a lower level than the first one To deliver regulators; and a modeling filter that is configured to receive the target position data and the target position data with a predetermined time delay to deliver to the first controller.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Regeln der Bewegung eines Objekts unter Verwendung einer kaskadierten Reglerstruktur offenbart. Die kaskadierte Reglerstruktur weist einen Positionsregler und einen Geschwindigkeitsregler auf. Das Verfahren beinhaltet das Geschwindigkeitsregeln der Bewegung des Objekts auf der Basis der Sollpositionsdaten und das Positionsregeln der Bewegung des Objekts auf der Basis verzögerter Sollpositionsdaten, die um eine vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert worden sind.According to one more another embodiment A method of controlling the movement of an object using a cascaded controller structure disclosed. The cascaded controller structure has a position controller and a speed controller. The method includes the speed rules of the movement of the object based on the target position data and the position rules the movement of the object based on delayed target position data, which have been delayed by a predetermined time delay.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Vorrichtung offenbart zum Regeln der Bewegung eines Objekts unter Verwendung einer kaskadierten Reglerstruktur. Die Vorrichtung enthält Mittel zum Geschwindigkeitsregeln der Bewegung des Objekts auf der Basis der Sollpositionsdaten und Mittel zum Positionsregeln der Bewegung des Objekts auf der Basis verzögerter Sollpositionsdaten, die um eine vorbestimmte Zeitverzögerung verzögert worden sind.According to one more another embodiment For example, an apparatus is disclosed for controlling the movement of an object using a cascaded controller structure. The device contains Means of speeding the movement of the object on the Base of the target position data and means for position control of Movement of the object based on delayed target position data, which have been delayed by a predetermined time delay.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Werkzeugmaschine zum Steuern der Bewegung eines Werkzeugs bezüglich eines Werkstücks auf der Basis von Sollpositionsdaten offenbart. Die Werkzeugmaschine enthält einen Tisch, der konfiguriert ist, das Werkstück zu halten, einen ersten Motor, der konfiguriert ist, den Tisch oder das Werkzeug zu bewegen, einen zweiten Motor, der konfiguriert ist, den Tisch oder das Werkzeug zu bewegen, und einen Controller, der konfiguriert ist, den ersten und zweiten Motor zu betätigen.According to one more another embodiment becomes a machine tool for controlling the movement of a tool in terms of a workpiece disclosed on the basis of target position data. The machine tool contains a table configured to hold the workpiece, a first Motor configured to move the table or tool a second motor configured to the table or tool to move, and a controller that is configured, the first and second motor to operate.

Der Controller enthält einen ersten Regler, der konfiguriert ist, die Position des ersten Motors zu regeln, eine Regelung mit Störgrößenaufschaltung, die konfiguriert ist, die Sollpositionsdaten vorwärts zu einem zweiten Regler auf einer niedrigeren Ebene als der erste Regler zu koppeln, und ein Modellierungsfilter, das konfiguriert ist, die Sollpositionsdaten zu empfangen und die Sollpositionsdaten mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung an den ersten Regler zu liefern.Of the Controller contains a first controller that is configured to position the first To regulate motor, a control with feedforward, which configured is, the setpoint position data forward to a second slider at a lower level than the first one Link regulators, and a modeling filter that configures is to receive the target position data and the target position data with a predetermined time delay to deliver to the first controller.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Steuerflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 shows a block diagram of a control flow according to an embodiment;

2A-2D zeigen Positions-Zeit-Diagramme für eine Sollposition (2A), eine Vorwärtskopplungsantwort (2B), eine Vorwärtskopplungsantwort mit Tiefpass filter (2C) und eine Vorwärtskopplungsantwort mit Verzögerungszeitmodellierungsfilter (2D); 2A - 2D show position-time diagrams for a target position ( 2A ), a feedforward response ( 2 B ), a feed-forward response with low-pass filter ( 2C ) and a feedforward response with delay time modeling filter ( 2D );

3 zeigt eine in einem Speicher gespeicherte Tabelle von Sollpositionen; 3 shows a table of set positions stored in a memory;

4 zeigt ein Blockdiagramm eines Steuerflusses gemäß einer alternativen Ausführungsform und 4 shows a block diagram of a control flow according to an alternative embodiment and

5 zeigt eine Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel. 5 shows a machine tool according to an embodiment.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Zuerst unter Bezugnahme auf 1 wird ein Steuerfluss gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Steuerfluss ist in Software auf einem Computer, einer Workstation oder einem anderen Controller implementiert, kann aber alternativ unter Verwendung diskreter Schaltungskomponenten oder anderer dem Durchschnittsfachmann bekannter Recheneinrichtungen implementiert sein. Beispielsweise kann der Steuerfluss auf dem von der Siemens AG, München, Deutschland hergestellten Simodrive 611D oder 611U implementiert sein.First referring to 1 becomes a Control flow shown according to one embodiment. The control flow is implemented in software on a computer, workstation, or other controller, but may alternatively be implemented using discrete circuit components or other computing devices known to those of ordinary skill in the art. For example, the control flow can be implemented on the Simodrive 611D or 611U manufactured by Siemens AG, Munich, Germany.

Aus 1 ist ein Steuersystem und -verfahren 10 zum Steuern eines Objekts (z.B. eines Elektronikantriebs, Motors usw. mit verbesserter Genauigkeit, besonders an stark geknickten oder konturierten Oberflächen, bekannt. Sollpositionsdaten 12 werden erzeugt durch Interpolieren eines kompilierten Teilprogramms, das von einem Bediener für eine gewünschte Aufgabe erstellt wird. Beispielsweise führt die ebenfalls von der Siemens AG hergestellte Sinumerik 840D die Schritte durch, das Teilprogramm zu kompilieren und dann die Kontur-; Fräs- und Drehpunkte auf eine Weise Punkt für Punkt zu interpolieren. Diese Punkte werden Sollpositionsdaten 12. Alternativ können Sollpositionsdaten 12 durch andere Systeme und Verfahren erzeugt werden.Out 1 is a tax system and procedure 10 for controlling an object (eg, an electronic drive, motor, etc.) with improved accuracy, particularly on heavily kinked or contoured surfaces 12 are generated by interpolating a compiled subprogram created by an operator for a desired task. For example, the Sinumerik 840D, also manufactured by Siemens AG, performs the steps of compiling the part program and then the contour; Milling and turning points in a way to interpolate point by point. These points become target position data 12 , Alternatively, target position data 12 generated by other systems and methods.

Sollpositionsdaten 12 werden durch einen Differenzierungsschritt 14 bereitgestellt, um Sollgeschwindigkeitsdaten zu erzeugen. Alternativ können Sollgeschwindigkeitsdaten durch den Interpolationsschritt für jede Menge Sollpositionsdaten (z.B. für jede Achse des Antriebssystems) erzeugt werden, wobei dann im System 10 kein Differenzierungsschritt 14 erforderlich ist. Die Sollgeschwindigkeitsdaten werden an die Geschwindigkeitsregelung mit Störgrößenaufschaltung geliefert, die die Sollgeschwindigkeitsdaten an einem Positionsregler 18 vorbei zu einem Mischer 20 leitet, wo sie mit den Ausgangsdaten von dem Positionsregler 18 summiert werden. Die Ausgabe des Mischers 20 wird an einem Geschwindigkeitsregler 22 geliefert. Auf diese Weise steuert der Geschwindigkeitsregler 22 ein Objekt 24 (z.B. einen Antrieb, Motor usw.) mit verbesserter Positionsantwort. Ein Positionssensor (z.B. ein optischer oder magnetischer Positionssensor) wird verwendet, um die Istposition des Objekts 24 zu messen und Istpositionsdaten 30 zu erzeugen, die zu einem Mischer 28 zurückgekoppelt werden. Die Istgeschwindigkeit wird von der Istposition abgeleitet und zurück an den Mischer 20 gekoppelt. Somit ist der Integrationsschritt 32 nicht notwendigerweise ein Berechnungsschritt, könnte es aber in einer alternativen Ausführungsform sein.Target position data 12 be through a differentiation step 14 provided to generate desired speed data. Alternatively, target speed data may be generated by the interpolation step for each set of target position data (eg, for each axis of the drive system), and then in the system 10 no differentiation step 14 is required. The desired speed data is supplied to the speed control with feedforward control, which supplies the desired speed data to a position controller 18 over to a mixer 20 directs where it is with the output data from the position controller 18 be summed up. The output of the mixer 20 gets on a speed controller 22 delivered. In this way, the speed controller controls 22 an object 24 (eg a drive, motor etc.) with improved position response. A position sensor (eg, an optical or magnetic position sensor) is used to determine the actual position of the object 24 to measure and actual position data 30 to produce that to a mixer 28 be fed back. The actual speed is derived from the actual position and back to the mixer 20 coupled. Thus, the integration step 32 not necessarily a calculation step, but it could be in an alternative embodiment.

Da der Mischer 20 auch die Ausgangsdaten vom Positionsregler 18 summiert, wird jedoch, um zu vermeiden, dass ein vom Positionsregler 18 verursachtes Überschwingen zu der Positionsantwort beiträgt, zwischen Sollpositionsdaten 12 und Positionsregler 18 ein Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 verwendet. Das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 ist konfiguriert, Sollpositionsdaten 12 zu empfangen und die nachfolgende Übertragung der Daten 12 zum Positionsregler 18 um eine vorbestimmte Zeitperiode (d.h. eine Zeitkonstante Td) zu verzögern. Jede der Daten 12 wird um die vorbestimmte Zeitperiode verzögert und dann an den Mischer 28 geliefert. Der Mischer 28 subtrahiert für die Istposition des Objekts 24 repräsentative Istpositionsdaten 30. Die vorbestimmte Zeitperiode ist so eingestellt, dass sie gleich der durch die Regelung mit Störgrößenaufschaltung 16, den Geschwindigkeitsregler 22 (und gegebenenfalls einen Stromregler) und die mechanischen Komponenten des Objekts 24 verursachte Verzögerung ist. Wenn die vorbestimmte Zeitperiode auf diese Weise eingestellt ist, wird die Differenz am Mischer 28 zwischen den verzögerten Sollpositionsdaten und Istpositionsdaten 30 etwa 0 betragen und der Positionsregler 18 wird nicht zu der Positionsantwort des Steuersystems beitragen.Because the mixer 20 also the output data from the position controller 18 However, in order to avoid getting one from the position controller will be summed 18 caused overshoot contributes to the position response between target position data 12 and position controller 18 a delay time modeling filter 26 used. The delay time modeling filter 26 is configured, setpoint position data 12 to receive and the subsequent transmission of the data 12 to the position controller 18 to delay a predetermined period of time (ie, a time constant Td). Each of the data 12 is delayed by the predetermined time period and then to the mixer 28 delivered. The mixer 28 subtracted for the actual position of the object 24 representative actual position data 30 , The predetermined time period is set equal to that by the feedforward control 16 , the speed controller 22 (and optionally a current regulator) and the mechanical components of the object 24 caused delay. If the predetermined period of time is set in this way, the difference will be at the mixer 28 between the delayed setpoint position data and actual position data 30 be about 0 and the position controller 18 will not contribute to the position response of the control system.

Bei einigen Anwendungen, beispielsweise für Antriebe für größere Maschinen, sind die Antwortzeiten der verschiedenen Regelkreise länger. Bei diesen größeren Maschinen kann das Modellierungsfilter vorteilhafterweise eine Kombination aus einer Tiefpassfilterung und einer Verzögerungszeitfilterung enthalten.at some applications, for example for drives for larger machines, The response times of the different control loops are longer. In these larger machines For example, the modeling filter may advantageously be a combination from a low pass filtering and a delay time filtering included.

2A-2D veranschaulichen die mit dem Verzögerungszeitmodellierungsfilter mögliche verbesserte Positionsantwort. 2A veranschaulicht eine Sollposition 58. 2B veranschaulicht die erwarteten Ergebnisse eines Systems mit einer Regelung mit Störgrößenaufschaltung ohne ein Modellierungsfilter. Der Positionsregler trägt die bei 60 angezeigte Antwort bei, die der Sollposition bei einer langsamen Rate nahe kommt. Die Istposition des Objekts ist bei 62 gezeigt. Ein Überschwingen ist bei 64 angezeigt, das unannehmbar ist. 2C veranschaulicht die erwarteten Ergebnisse eines Systems mit einem Tiefpassfilter für eine Modellierungsschaltung gemäß dem Stand der Technik. Die Istposition des Objekts ist bei 66 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Zeitkonstante des Tiefpassfilters justiert worden, um Überschwingen zu reduzieren, doch ist zu sehen, dass das Objekt die Sollposition recht langsam erreicht. 2D veranschaulicht die erwarteten Ergebnisse eines Systems mit einer Verzögerungszeitmodellierungsschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1. Die vorbestimmte Zeitperiode ist durch 68 und Td dargestellt. Somit trägt der Positionsregler 18 bis zu diesem Zeitpunkt nicht zu der Positionsantwort bei. Vorteilhafterweise haben bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Positionsregler 18 die Sollpositionsdaten 12 von dem Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 empfängt, die Steuerkreise auf der niedrigen Ebene (z.B. Geschwindigkeitsregler 22) bereits den größten Teil der Posi tionsantwort geliefert, um die Istposition des Objekts 24 in die Nähe der Sollposition zu bewegen, wie bei 70 gezeigt. Es ist somit zu sehen, dass das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 die Antwortzeit verbessert und Überschwingen stark reduziert, wodurch die Positionsantwort des Steuersystems insbesondere auf Konturen verbessert wird. Außerdem ist zu sehen, dass nicht länger eine Notwendigkeit vorliegt, Unterschwingen zu akzeptieren, wenn das Überschwingen reduziert wird, wie dies die Situation mit dem Tiefpassfilter war. 2A - 2D illustrate the improved position response possible with the delay time modeling filter. 2A illustrates a desired position 58 , 2 B illustrates the expected results of a system with feedforward control without a modeling filter. The position controller contributes to this 60 displayed response, which comes close to the target position at a slow rate. The actual position of the object is at 62 shown. An overshoot is included 64 displayed, which is unacceptable. 2C illustrates the expected results of a system with a low-pass filter for a modeling circuit according to the prior art. The actual position of the object is at 66 shown. In this example, the time constant of the low pass filter has been adjusted to reduce overshoot, but it can be seen that the object reaches the target position quite slowly. 2D illustrates the expected results of a system with a delay time modeling circuit according to the embodiment of FIG 1 , The predetermined time period is through 68 and Td shown. Thus, the position controller contributes 18 up to this time not to the position response. Advantageously, until the time when the position controller 18 the target position data 12 from the delay time modeling filter 26 receives, the control circuits on the low level (eg speed controller 22 ) already has the largest part of the positional response returns to the actual position of the object 24 to move near the target position, as in 70 shown. It can thus be seen that the delay time modeling filter 26 improves the response time and greatly reduces overshoot, thereby improving the positional response of the control system, particularly to contours. In addition, it can be seen that there is no longer a need to accept undershoots when overshoot is reduced, as was the situation with the low pass filter.

Ein weiterer Vorteil des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 gegenüber dem Tiefpassfilter betrifft die Zeit, während der keine zusätzlichen Sollpositionsdaten 12 empfangen werden. Wenn keine zusätzlichen Sollpositionsdaten 12 empfangen werden, sollte der Positionsregler 18 alleine das Positionieren am Zielpunkt steuern (d.h. ohne Beiträge von den Reglern auf niedriger Ebene). Wenn bei dem Tiefpassfiltersystem das Tiefpassfilter die Zielposition zu dem Zeitpunkt, wenn keine zusätzlichen Sollpositionsdaten empfangen werden, die Zielposition noch nicht vollständig deduziert hat, ist es auch für den Positionsregler noch nicht möglich, die Störantwort zu steuern. Bei dem Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 ist die Zielposition am Ausgang des Filters 26 bekannt, nachdem die vorbestimmte Verzögerungszeit abgelaufen ist, so dass der Positionsregler 18 das Objekt 24 schneller zu dem Ziel bewegen kann, als wenn das Tiefpassausgleichsfilter verwendet wird.Another advantage of the delay time modeling filter 26 compared to the low-pass filter, the time during which no additional setpoint position data 12 be received. If no additional target position data 12 should be received, the position controller 18 solely control positioning at the target point (ie without contributions from the low-level controls). In the low-pass filter system, if the low-pass filter has not yet completely deduced the target position at the time when no additional target position data is received, it is not possible for the position controller to control the disturbance response. In the delay time modeling filter 26 is the target position at the output of the filter 26 after the predetermined delay time has elapsed, so that the position controller 18 the object 24 move faster to the destination than when the low-pass compensation filter is used.

Gemäß einer weiteren Verbesserung lässt sich die vorbestimmte Zeitperiode des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 in feineren Stufen als dem zwischen Sollpositionsdaten 12 einstellen. Diese Verbesserung gestattet eine erhöhte Effektivität des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26. Beispielsweise werden in einem beispielhaften System Sollpositionsdaten 12 alle 10 Millisekunden empfangen, und die Antwortzeit des Geschwindigkeitsreglers 22 liegt in der Größenordnung von 1-2 Millisekunden. Bei diesem System wäre es vorteilhaft, die verzögerten Sollpositionsdaten alle 1- 2 Millisekunden oder weniger anstatt alle 10 Millisekunden auszugeben. Ein Verfahren, um dies zu bewerkstelligen, besteht darin, zwischen im Speicher gespeicherten Sollpositionsdaten 12 zu interpolieren, um gemäß der folgenden Gleichung zusätzliche Datenpunkte zu erzeugen:

wobei y(t) der interpolierte Datenpunkt zwischen x(t0) und x(t1) ist, x(t0) der Sollpositionsdatenpunkt zum Zeitpunkt t0, x(t1) der nächste Sollpositionsdatenpunkt zum Zeitpunkt t1, k die Anzahl der Werte, zwischen denen interpoliert werden soll, und m die Nummer eines einzelnen interpolierten Datenpunkts ist. Der erste interpolierte Datenpunkt (bei m = 0) entspricht dem ersten Sollpositionsdatenpunkt x(t0). Wenn m = k gesetzt wird, führt dies zu y(t) gleich x(t1).According to a further improvement, the predetermined time period of the delay time modeling filter can be used 26 in finer levels than that between target position data 12 to adjust. This improvement allows for increased effectiveness of the delay time modeling filter 26 , For example, in an exemplary system, target position data becomes 12 received every 10 milliseconds, and the response time of the speed controller 22 is on the order of 1-2 milliseconds. In this system, it would be advantageous to output the delayed target position data every 1 - 2 milliseconds or less rather than every 10 milliseconds. One way to accomplish this is to maintain between desired position data stored in memory 12 to interpolate to generate additional data points according to the following equation:

where y (t) is the interpolated data point between x (t0) and x (t1), x (t0) the target position data point at time t0, x (t1) the next target position data point at time t1, k the number of values between which interpolates and m is the number of a single interpolated data point. The first interpolated data point (at m = 0) corresponds to the first target position data point x (t0). Setting m = k will result in y (t) equal to x (t1).

Weitere alternative Verfahren zum Erzeugen zusätzlicher Datenpunkte aus den Sollpositionsdaten 12 werden in Betracht gezogen. Beispielsweise können andere Interpolationsformen (z.B. kubische Interpolation) anstelle des oben spezifizierten Interpolationsverfahrens verwendet werden. Alternativ können die zusätzlichen Datenpunkte durch Hardwareinterrupts erzeugt werden, wenngleich dieses Verfahren komplexe Hardware- und Softwareadaptationen erfordert und durch Feineinstellungsgrenzen in einem digitalen System begrenzt wäre. Außerdem können alternative Verfahren zum Berechnen oder Messen verwendet werden, um ein feiner einstellbares Verzögerungszeitmodellierungsfilter zu realisieren.Further alternative methods for generating additional data points from the target position data 12 will be considered. For example, other forms of interpolation (eg, cubic interpolation) may be used in place of the above-specified interpolation method. Alternatively, the additional data points may be generated by hardware interrupts, although this method requires complex hardware and software adaptations and would be limited by fine tuning limits in a digital system. In addition, alternative methods of calculation or measurement may be used to implement a finely tunable delay-time modeling filter.

3 offenbart eine durch das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 erzeugte Tabelle im Speicher (z.B. DRAM, SRAM, usw.). Die Zeit wird durch die Höhe jeder Speicherstelle in dem Diagramm dargestellt. Zu einem Speicherschreiben zu Spalte A kommt es immer dann, wenn ein Solldatenpunkt empfangen wird, wie bei Speicherort 72 gezeigt. Die gespeicherten Daten in Spalte A werden dann interpoliert, um die Anzahl gewünschter Solldatenpunkte zu erhöhen, und in Spalte B geschrieben. 3 discloses one by the delay time modeling filter 26 generated table in memory (eg DRAM, SRAM, etc.). The time is represented by the height of each location in the diagram. Memory write to column A occurs whenever a desired data point is received, as in memory location 72 shown. The stored data in column A is then interpolated to increase the number of desired target data points and written in column B.

In diesem Diagramm entsprechen sechs Datenpunkte in Spalte B einem Datenpunkt in Spalte A, obwohl in alternativen Ausführungsformen die Anzahl der Datenpunkte in Spalte B entsprechend jenen in Spalte A größer oder kleiner als sechs sein könnte. Die vorbestimmte Zeitperiode des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 ist durch Td dargestellt. Nach der Zeit Td kommt es zu einem Speicherlesen der Daten von Spalte B, wie etwa am Speicherort 74 gezeigt, und der gelesene Datenpunkt wird an den Positionsregler 18 geliefert.In this diagram, six data points in column B correspond to one data point in column A, although in alternative embodiments, the number of data points in column B corresponding to those in column A could be greater or less than six. The predetermined time period of the delay time modeling filter 26 is represented by Td. After the time Td, there is a memory read of the data of column B, such as at the memory location 74 and the read data point is sent to the position controller 18 delivered.

Wie erwähnt wird die vorbestimmte Zeitperiode des Verzögerungszeitmodellierungsfilters 26 gleich der durch die Regelung mit Störgrößenaufschaltung 16, den Geschwindigkeitsregler 22 (und gegebenenfalls einen Stromregler) und die mechanischen Komponenten des Objekts 24 verursachte Verzögerung gesetzt. Der Wert der vorbestimmten Zeitperiode kann auf vielerlei Weisen bestimmt werden. Der Startwert für die vorbestimmte Zeitperiode kann beispielsweise die Zeitkonstante des Geschwindigkeitsreglers 22 sein. Dieser Wert kann dann manuell über eine Bedienereingabeeinrichtung (z.B. eine Einstellscheibe, einen Knopf oder einen Wähler auf einer graphischen Benutzerschnittstelle wie etwa eine Ziehleiste auf einem Videoschirm usw.) manuell abgeglichen oder durch die Software automatisch abgeglichen werden. Unter Verwendung des Startwerts wird das Objekt 24 gemäß einem Kalibrierungsprogramm bewegt. Die Istpositionen werden mit starker Vergrößerung betrachtet, um zu bestimmen, ob ein Überschwingen beobachtet wird, oder ob eine übermäßig langsame Annäherung beobachtet wird. Wenn ein Überschwingen beobachtet wird, wird die vorbestimmte Zeitperiode erhöht. Wenn eine übermäßig langsame Annäherung beobachtet wird, wird die vorbestimmte Zeitperiode herabgesetzt. Der Effekt des Einstellens er vorbestimmten Zeitperiode auf den Positionsregler 18 kann unter Bezugnahme auf 2D gesehen werden. Wenn die vorbestimmte Zeitperiode (Td) herabgesetzt wird, wird der Beitrag zu der Positionsantwort von dem Positionsregler 18 (durch Linie 60 gezeigt) über 0% erhöht, und der Beitrag zu der Positionsantwort von den Reglern auf der unteren Ebene wird dementsprechend von 100% herabgesetzt. Somit sollte Td so kurz wie möglich eingestellt werden, wobei das Vorliegen eines Überschwingens während des Positionierens die Untergrenze bestimmt. Dieser Prozess kann unter Verwendung des gleichen Prozesses und der gleichen Einschränkungen von einem Verzögerungszeitjustierer automatisch ausgeführt werden.As mentioned, the predetermined time period of the delay time modeling filter 26 the same by the control with feedforward control 16 , the speed controller 22 (and optionally a current regulator) and the mechanical components of the object 24 caused delay set. The value of the predetermined period of time can be determined in a variety of ways. The starting value for the predetermined period of time may be, for example, the time constant of the speed controller 22 be. This value can then be manually adjusted or automatically adjusted by the software via an operator input device (eg, a dial, knob or selector on a graphical user interface such as a drag bar on a video screen, etc.). Using the Start value becomes the object 24 moved according to a calibration program. The actual positions are viewed at a high magnification to determine if overshoot is observed or if an excessively slow approach is observed. If overshoot is observed, the predetermined period of time is increased. If an excessively slow approach is observed, the predetermined period of time is decreased. The effect of setting it predetermined time period on the position controller 18 can with reference to 2D be seen. When the predetermined time period (Td) is decreased, the contribution to the positional response from the position controller becomes 18 (by line 60 shown) is increased above 0%, and the contribution to the position response from the lower-level controllers is accordingly decreased by 100%. Thus, Td should be set as short as possible, with the presence of overshoot during positioning determining the lower limit. This process can be performed automatically by a delay time adjuster using the same process and constraints.

Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird nun eine alternative Ausführungsform des Steuerflusses von 1 beschrieben. Der Steuerfluss von 4 ist ähnlich dem von 1, außer dass ein Stromregelungsweg mit Störgrößenaufschaltung und ein Stromregler hinzugefügt sind. Insbesondere werden Sollpositionsdaten durch eine erste und zweite Differenzierung 40, 42 bereitgestellt, um Sollbeschleunigungsdaten zu erzeugen, die dann an eine Stromregelung mit Störgrößenaufschaltung 44 geliefert werden. Ein Mischer 46 kombiniert die Stromvorwärtskopplungsdaten mit Ausgabedaten vom Geschwindigkeitsregler 22. Der Mischer 46 liefert die kombinierten Daten an einen Stromregler 48, der wiederum das Objekt 24 antreibt. Die Istbeschleunigung des Objekts 24 wird zum Mischer 46 zurückgekoppelt. Ein Integrationsschritt 50 integriert die Istbeschleunigungsdaten des Objekts 24, um die Istgeschwindigkeitsdaten zu erzeugen.Now referring to 4 Now, an alternative embodiment of the control flow of 1 described. The control flow of 4 is similar to that of 1 except that a current control path with feedforward control and a current controller are added. Specifically, target position data becomes a first and second differentiation 40 . 42 provided to generate desired acceleration data, which then to a current control with feedforward 44 to be delivered. A mixer 46 Combines the current feedforward data with output data from the speed controller 22 , The mixer 46 delivers the combined data to a current regulator 48 who in turn is the object 24 drives. The actual acceleration of the object 24 becomes a mixer 46 fed back. An integration step 50 integrates the actual acceleration data of the object 24 to generate the actual speed data.

Ein zweites Verzögerungszeitmodellierungsfilter 52 ist in dieser Ausführungsform zwischen der Geschwindigkeitsregelung mit Störgrößenaufschaltung 16 und dem Mischer 20 vorgesehen. Das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 52 funktioniert wie das Verzögerungszeitmodellierungsfilter 26 durch Verzögern der Übertragung von Daten zum Geschwindigkeitsregler 22.A second delay time modeling filter 52 is in this embodiment between the speed control with feedforward 16 and the mixer 20 intended. The delay time modeling filter 52 works like the delay time modeling filter 26 by delaying the transmission of data to the speed controller 22 ,

Nunmehr unter Bezugnahme auf 5 wird eine Werkzeugmaschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Werkzeugmaschine 100 ist eine Drei-Achsen-Materialabtragsmaschine, es kann sich bei ihr aber alternativ um andere Arten von Werkzeugmaschinen handeln (z.B. Ein-Achsen-, andere Mehr-Achsen-Formmaschinen usw.). Die Werkzeugmaschine 100 enthält eine numerische Steuerung 102, die konfiguriert ist, ein Teilpro gramm zu kompilieren und eine Interpolation durch den Steuerfluss von 1 oder 4 laufen zu lassen. Die Steuerung 102 liefert Steuersignale (z.B. entweder Gleich- oder Wechselstromsignale) entsprechend dem Steuerfluss, um verschiedene Motoren anzutreiben, einschließlich: einen Drehmotor in Säule 104, um ein Schneidwerkzeug 105 zu drehen, einen X-Achse-Linearmotor und einen Y-Achse-Linearmotor in der Basis 106, um einen Tisch 108 in der X- bzw. Y-Richtung zu bewegen, und einen Z-Achse-Linearmotor im Aufbau 110, um das Schneidwerkzeug 105 in der Z-Richtung zu bewegen. Die Motoren sind Servomotoren, können aber alternativ Schrittmotoren, Hydraulikaktuatoren, Pneumatikeinrichtungen oder andere in Werkzeugmaschinen verwendete Motoren sein. Ein Werkstück 112 ist am Tisch 108 befestigt. Die Steuerung 102 betätigt die verschiedenen Motoren gemäß dem Steuerfluss, um eine Kontur 114 in Werkstück 112 maschinell zu bearbeiten. Die Steuerung 102 kann je nach dem Teilprogramm und der Interpolationsroutine auch programmiert sein, Punkt-zu-Punkt-Löcher, gerade geschnittene Löcher usw. herauszuarbeiten. Die Werkzeugmaschine 100 enthält weiterhin nicht gezeigte Positionssensoren an jedem Motor, die konfiguriert sind, die Position des Motors zu erfassen, Positionsrückkopplungssignale auf der Basis darauf zu erzeugen und die Positionsrückkopplungssignale an die Steuerung 102 zu liefern.Now referring to 5 becomes a machine tool 100 shown according to an embodiment. The machine tool 100 is a three-axis stock removal machine, but may alternatively be other types of machine tools (eg, one-axis, other multi-axis forming machines, etc.). The machine tool 100 contains a numeric control 102 , which is configured to compile a subprogram and interpolated by the control flow of 1 or 4 to run. The control 102 provides control signals (eg, either DC or AC signals) according to the control flow to drive various motors, including: a pillar rotary motor 104 to a cutting tool 105 to rotate, an X-axis linear motor and a Y-axis linear motor in the base 106 to a table 108 in the X or Y direction, and a Z-axis linear motor in construction 110 to the cutting tool 105 to move in the Z direction. The motors are servomotors but may alternatively be stepper motors, hydraulic actuators, pneumatic devices or other motors used in machine tools. A workpiece 112 is at the table 108 attached. The control 102 operates the various motors according to the control flow, around a contour 114 in workpiece 112 to machine. The control 102 Depending on the program part and the interpolation routine, it may also be programmed to work out point-to-point holes, straight-cut holes, etc. The machine tool 100 Also includes position sensors (not shown) on each motor configured to detect the position of the motor, generate position feedback signals based thereon, and the position feedback signals to the controller 102 to deliver.

Wenngleich die in den FIGUREN dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsformen gegenwärtig bevorzugt werden, versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft dargeboten werden. Beispielsweise können verschiedene Schaltungsanordnungen, Steuerungen, Software, Benutzereingabeeinrichtungen usw. verwendet werden, um die hier offenbarten Steuerschritte zu bewerkstelligen. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausführungsform begrenzt, erstreckt sich aber auf verschiedene Modifikationen, die dennoch in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.Although the embodiments shown in the FIGURES and described above currently It should be understood that these embodiments are exemplary only be presented. For example, various circuit arrangements, Controls, software, user input devices, etc. used to accomplish the control steps disclosed herein. The invention is not limited to a particular embodiment extends but based on various modifications that are nevertheless in the scope the attached claims fall.

Claims

A control system for controlling movement of an object based on target position data, comprising: a first controller ( 18 ) configured to control the position of the object; a control with feedforward control ( 16 ) configured to forward the desired position data forward to a second controller ( 22 ) with a lower level than the first controller ( 18 ) to deliver; and a modeling filter ( 26 ) configured to receive the target position data and the target position data with a predetermined time delay to the first controller ( 18 ), characterized by a second regulation with feedforward control ( 42 ) configured to receive the target position data and forward the target position data to a third controller ( 48 ) with a lower level than the second controller ( 22 ) to deliver; and a second modeling filter ( 52 1) configured to receive the target position data and to send the target position data to the second controller at a second predetermined time delay (FIG. 22 ) to deliver.

The control system of claim 1, further comprising a memory with the modeling filter configured, store each of the desired position data in the memory and each the setpoint position data to read from the memory when the predetermined Time Delay is stored after each of the target position data.

The control system of claim 2, wherein the modeling filter is further configured on the basis of the target position data additional To generate data points.

A control system according to claim 3, wherein the additional ones Data points by linear interpolation between the target position data be generated.

A control system according to claim 1, wherein the predetermined Time Delay manually over an operator input device can be adjusted.

The control system of claim 1, further comprising a delay time adjuster, configured to automatically adjust the predetermined time delay, to overshoot to eliminate in the movement of the object.

Control system according to claim 1, wherein the first controller ( 18 ) comprises a position controller.

A control system according to claim 1, wherein the second controller ( 22 ) includes a speed controller.

Control system according to claim 1, wherein the modeling filter ( 26 ) further comprises a low-pass filter configured to filter the desired position data.